CN106861677B - 一种制备高效析氢催化剂氧化钨纳米线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高效析氢催化剂氧化钨纳米线的方法。该方法采用两步反应的方法，首先利用多巴胺在碱性条件下的配位络合作用于金属钨源反应制备出具有树枝状的钨‑聚多巴胺化合物，然后在惰性气体条件下将该化合物进行热处理，即得到具有碳负载的氧化物纳米线催化剂。该反应过程简单，容易控制，且制备的催化剂活性较好，可以接近商业铂催化剂。
Description
技术领域
本发明属于析氢催化剂研究领域，特别涉及一种氧化钨纳米线催化剂的制备方法。
背景技术
由于化石燃料的不断消耗和日益凸显的环境问题，使得寻求清洁和可持续利用的新能源成为越来越被重视的课题。在众多的新能源中，氢能由于其能量密度高、清洁(产物为水)和可持续利用等优点成为研究的热点。电催化分解水制备氢气是一种高效率、应用性强的方法。目前，铂基催化剂是析氢反应活性最高的催化剂，但是其成本高和含量少的弊端大大限制了大规模的推广应用。因此，开发具有高活性、非贵金属、含量丰富和耐用性高的新型催化剂并取代铂基催化剂是当前研究的重点和难点。然而，大部分材料由于其导电性差和各向异性电子传输等弊端限制了这些材料对析氢反应活性的进一步提升。通常，为了提升材料的导电性，有两种方法可以采用：一是合成金属性的催化剂，如过渡金属硫化物和碳化物等；二是利用导电性高的载体，如碳材料和贵金属等。尽管这两种方法可以提升析氢反应的活性，但是仍有一些不足使得不能取代铂催化剂，如制备过程较为繁琐，合成过程中涉及有毒成分等。
过渡金属氧化物最近作为高效电催化剂最近在析氢反应、氧还原反应、析氧反应等众多领域受到了广泛的关注。由于其含量丰富、稳定性高、易制备以及环境友好等特点，尤其是过渡金属氧化物由于具有大量氧空位，使得其本身更加倾向于金属性，导电性会明显增强，同时会具有大量的活性位点，使得过渡金属氧化物作为出色的电催化剂越来越受到研究者的重视。然而，迄今为止，如何有效地利用过渡金属氧化物，即如何负载在高导电性的载体上，尤其是如何制备可以提供更大比表面积和更多活性位点的不规则结构仍是一个不小的挑战。而氧化钨作为一种典型的过渡金属氧化物在电催化领域最近受到越来越多的关注。
因此，选择一种简单易操作的制备具有更高比表面积、更多氧空位活性中心以提升催化活性的氧化钨纳米催化剂的方法，是拓展氧化钨析氢催化剂应用的核心问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种氧化钨纳米线催化剂的制备方法，增大材料中氧空位的含量，提升材料的比表面积，从而提高其析氢反应催化活性。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
以四硫代钨酸铵为钨源，以多巴胺为碳源和聚合剂，两步反应的方法，制备出具有高催化活性的碳载氧化钨纳米线催化剂，包括以下步骤：
步骤1)将四硫代钨酸铵溶解于去离子水和乙醇的混合溶液中，利用氨水将溶液pH值调制8左右。然后将一定浓度的盐酸多巴胺溶液逐滴加入至上述溶液，同时溶液在室温条件下进行搅拌。反应一定时间以后，通过离心的方法将沉淀分离出来，得到黄色粉末为钨-聚多巴胺前驱体。
步骤2)将上述黄色粉末至于管式炉中进行高温处理，处理温度为750℃，氮气气氛，加热时间为3小时，升温速率为2℃·min-1。此时得到黑色粉末，即为具有高效析氢活性的氧化钨纳米线催化剂。
进一步的，所述去离子水和乙醇的体积比例为2.25:1。
进一步的，所述四硫代钨酸铵的浓度为0.01-0.5mol/L。
进一步的，所述盐酸多巴胺的浓度为10-20mg·mL-1。
进一步的，所述第一步反应时间为2-48小时。
进一步的，所述高温处理条件为氮气气氛中750℃加热3小时。
进一步的，所述升温速率为2℃·min-1。
与现有技术相比，本发明的效果及优点是：
(1)常温下进行第一步聚合反应，钨源与盐酸多巴胺的聚合物，此过程为自发进行，仅需搅拌，无需加热等，反应易进行易控制；
(2)纳米线的合成效率较高，聚合物惰性气体中加热之后基本都生成尺寸超长的氧化钨纳米线；
(3)合成的氧化钨纳米线催化剂的析氢反应活性较高，酸性条件下稳定性较高。
由上述优点可见，本发明对制备高效的氧化钨析氢反应催化剂有重要意义。
附图说明
图1实施例1中，第一步聚合产物和最终产物纳米线的外观图。
图2实施例1中，氧化钨纳米线的扫描电镜图。
图3事实例1中，氧化钨纳米线催化剂在酸性条件下的析氢反应活性与商业铂催化剂的对照图。
具体实施方式
以下通过具体实施例结合附图详细说明本发明的技术及特点，但这些实施例并非用以限定本发明的保护范围。
以四硫代钨酸铵为钨源，以多巴胺为碳源和聚合剂，两步反应的方法，制备出具有高催化活性的碳载氧化钨纳米线催化剂，包括以下步骤：
步骤1)将四硫代钨酸铵溶解于去离子水和乙醇的混合溶液中，利用氨水将溶液pH值调制8左右。然后将一定浓度的盐酸多巴胺溶液逐滴加入至上述溶液，同时溶液在室温条件下进行搅拌。反应一定时间以后，通过离心的方法将沉淀分离出来，得到黄色粉末为钨-聚多巴胺前驱体。
步骤2)将上述黄色粉末至于管式炉中进行高温处理，处理温度为750℃，氮气气氛，加热时间为3小时，升温速率为2℃·min-1。此时得到黑色粉末，即为具有高效析氢活性的氧化钨纳米线催化剂。
进一步的，所述去离子水和乙醇的体积比例为2.25:1。
进一步的，所述四硫代钨酸铵的浓度为0.1mol/L。
进一步的，所述盐酸多巴胺的浓度为20mg·mL-1。
进一步的，所述第一步反应时间为24小时。
进一步的，所述高温处理条件为氮气气氛中750℃加热3小时。
进一步的，所述升温速率为2℃·min-1。
Claims (1)
1.一种制备高效析氢催化剂氧化钨纳米线的方法，其特征在于，利用四硫代钨酸铵为钨源，多巴胺为有机模板剂，再在氮气气氛中进行高温加热，包括以下步骤：
步骤1)将四硫代钨酸铵溶解于去离子水和乙醇的混合溶液中，利用氨水将溶液pH值调制8左右，然后将一定浓度的盐酸多巴胺溶液逐滴加入至上述溶液，同时溶液在室温条件下进行搅拌，反应一定时间以后，通过离心的方法将沉淀分离出来，得到黄色粉末为钨-聚多巴胺前驱体；
步骤2)将上述黄色粉末置于管式炉中进行高温处理，处理温度为750℃，氮气气氛，加热时间为3小时，升温速率为2℃·min-1，此时得到黑色粉末，即为具有高效析氢活性的氧化钨纳米线催化剂。
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